山西滹沱河流域夏季降水时空分布及趋势分析

马子平，李 劲，李 欣*，郑秀文，刘耀文，郭 婕

（1.山西省忻州市气象局，山西 忻州 034000；2.山西省忻州市农业机械发展中心，山西 忻州 034000；3.山西省长治市气象局，山西 长治 046000；4.北京联合大学，北京 100000）

滹沱河是山西省的六大河流之一，全长319 km，流域面积18856 km2［1］，其源头位于繁峙县光裕堡乡桥儿沟，横穿忻州东部6个县（市、区）后经阳泉盂县穿过太行山流入河北献县。滹沱河呈S形［2］，上游是繁代原河谷，中游是忻定盆地，下游为五台至太行山区。滹沱河是忻州东部和阳泉盂县人民赖以生存和发展的母亲河［2］，其干流及支流是该区域的主要地表水体［3］。据统计，滹沱河流域人口约174.4万人。近年来，由于气候变暖，滹沱河流域暴雨和短时强降水天气增多，洪涝及次生灾害频发，导致农业生产及人民生活遭受了严重伤害。据气象部门统计，2016～2021年夏季滹沱河流域共发生洪涝灾害32 次，特别是2018年夏季全流域发生了9 次，2019年8月全流域发生了5次，给当地工农业生产造成了严重的经济损失。

目前，国内学者对滹沱河流域的径流、水质、水文、生态环境及修复等方面的研究较多［1-4］。也有学者对滹沱河流域的降水做了研究，例如：陈雪晴等［5］研究了1958～2004年7～9月滹沱河降雨及不同长度洪水量序列的变化特征；程俊等［6］指出近61年来，滹沱河年降水量呈不显著的减少趋势，没有明显的突变，具有较为稳定的周期变化。此外，常钢等［7－8］对1960～2011年山西夏季降水的年代际变化特征进行了研究，着重分析了印度洋海温和大气环流与山西夏季降水的关系。而有关滹沱河流域夏季降水空间分布及趋势变化方面的研究迄今尚未见报道。统计分析发现，滹沱河夏季降水占全年降水量的63.3%，因此有必要对滹沱河流域夏季降水的时空分布及趋势变化进行研究，这对滹沱河流域的人民生活、农业生产、水资源开发利用和综合规划以及生态修复具有重要的意义，同时可以为防汛抗旱和防灾减灾提供科学依据。

近年来，许多学者采用Mann-Kendall法对降水量的变化趋势进行了检验［9-12］及突变分析［13-16］，以此探寻研究区的降水量变化特征。还有一些学者应用Mann-Kendall方法对气候资源的突变性进行了检测［17-18］。笔者在前人研究的基础上，主要采用非参数Mann-Kendall法，分析研究了山西滹沱河流域夏季降水量的时空分布特征及变化趋势。

1 资料与方法

1.1 资料选取与区域划分

选取滹沱河流域的7个国家自动观测站1972～2021年均一性较好的夏季逐日降水量资料，以及滹沱河干流附近的21个区域自动观测站2017～2021年夏季逐日降水资料，个别站点缺失的资料用同一时间相邻2个站点的平均值代替。根据滹沱河的流向和形状以及研究需要，将其分为上游、中游和下游3段，上游代表站是繁峙县、代县、原平市；中游代表站是忻府区、定襄县；下游代表站是五台县、盂县。

1.2 研究方法

Mann-Kendall检验法［19］是一种非参数统计检验方法，能检验变化趋势，也能确定突变发生的时间，且不需要变量服从正态分布。该检验法根据标准化统计量Z值来判断幅度的增减和显著性：Z＞0表示幅度增加，Z＜0表示幅度减少；|Z|≥1.28表示通过了置信水平90%的显著性检验；|Z|≥1.64表示通过了置信水平95%的显著性检验；|Z|≥2.32 表示通过了置信水平99%的显著性检验。此外，根据序列统计量UFk值和置信区间-1.96≤U≤1.96来判断趋势的升降和显著性水平，再根据UFk和逆序列统计量UBK这2条曲线在置信区间-1.96≤U≤1.96中的交点确定突变点。UFk＞0表示序列呈上升趋势，UFk＜0表示序列呈下降趋势；|UFk|≥1.96表示上升或下降的趋势显著，超过区域为突变时间区域。Mann-Kendall检验的检测范围宽，定量化程度高［20］，因此被广泛应用于气温、降水、水文和径流等环境时间序列资料的长期变化趋势分析和突变性检测等［21-23］。

2 结果与分析

2.1 滹沱河流域降水量的时间分布及变化

2.1.1 全流域降水量的年际变化 由图1可知，1972～2021年滹沱河流域夏季平均降水量呈微弱的增加趋势，年际变化幅度比较大，夏季50年的平均降水量为286.8 mm，最大降水量出现在1988年（498.5 mm），最小降水量出现在1972年（111.3 mm），两者相差387.2 mm。1973～1982年、2016～2021年降水量的累积距平全为正值，滹沱河处在丰水期；1984～1988年降水量的累积距平全为负值，滹沱河处在枯水期。夏季平均降水量的趋势方程为y=0.208x+281.5，降水量以2.08 mm/10a的速率递增，50年来共增加了10.4 mm。从夏季3年滑动平均降水量的变化曲线（略）可以看出，夏季降水量在1972～2000年期间波动较大，在2001～2021年期间波动较小。

图1 1972～2021年滹沱河流域代表站夏季平均降水量的变化

2.1.2 全流域逐月降水量的变化 统计分析得知，滹沱河流域6月、7月、8月的平均降水量分别占夏季平均降水量的22.7%、38.9%、37.7%。6月的最大降水量出现在2002年（143.2 mm），最小降水量出现在1972年（13.9 mm）；7月的最大降水量出现在2016年（209.0 mm），最小降水量出现在1972年（29.4 mm）；8月的最大降水量出现在2018年（190.2 mm），最小降水量出现在1991年（20.1 mm）。滹沱河流域6月、7月、8月降水量的线性回归方程分别为y=-0.13x+68.7、y=0.49x+100.0、y=-0.06x+110.9，这表明在1972～2021年期间6月和8月的平均降水量分别以1.3和0.6 mm/10 a的速率减少，7月的平均降水量以4.9 mm/10 a的速率增加，但减少或增加的趋势均不显著。

2.2 滹沱河流域夏季降水变化趋势的Mann-Kendall检验及突变分析

2.2.1 全流域夏季平均降水量变化趋势的检验及突变分析 由表1可知，在1972～2021年期间滹沱河全流域夏季平均降水量呈弱的增加趋势，但未通过置信水平90%的显著性检验，与回归分析结果一致。

表1 1972～2021年滹沱河流域代表站夏季降水变化趋势的Mann-Kendall检验结果

由图2可以看出，UFk与UBk这2条曲线在-1.96≤U≤1.96之间有4个交点，根据交点的位置、UFk曲线的变化趋势、原降水量、UFk值及UBk值等，综合分析判断后得出1973年、1981年和2015年为突变点。全流域的夏季降水量从1973年开始呈增加趋势，在1981年后呈减少趋势，在2015年后又呈增加趋势，但都未通过0.05水平的显著性检验，趋势变化不显著。从UFk曲线的变化来看，滹沱河流域夏季在1973～1984年间处于多雨期；在1985～2015年间处于枯水期，但在1996～1998年间夏季降水量略有小幅增加，之后又呈减少趋势，这与常钢［7］对山西夏季降水变化趋势的研究结果有所不同。

图2 滹沱河全流域夏季平均降水量的Mann-Kendall统计曲线

2.2.2 全流域逐月降水量变化趋势的检验及突变分析 由表1中的Z值可知，6月和8月全流域的Z＜0，7月全流域的Z=1.17，接近1.28，表明全流域6月和8月的降水量呈减少趋势，7月的降水量呈较明显的增加趋势，这与回归分析得出的结论一致。

分析夏季逐月降水量的Mann-Kendall统计曲线（图略）可知：6月降水量明显的突变年份为2014年，6月降水量从1997年开始呈减少趋势，2002年开始呈增加趋势，2014年后又呈减少趋势。分析UFk曲线发现，1973～1992年6月滹沱河处在相对多雨期，1993～2021年6月滹沱河处在相对少雨期。7月降水量明显的突变年份为2002年，7月降水量从1981年和2002年开始呈减少趋势，从1988年开始呈增加趋势。UFk曲线在1976～1979年期间超过了0.05水平的临界线，增加趋势显著，因此该阶段为7月降水量的突变时间区域。8月降水量的突变点是1982年，从1982年前后降水量开始呈减少趋势，此趋势一直维持到2021年。

2.3 滹沱河流域夏季降水量的空间分布及变化

2.3.1 滹沱河流域夏季降水量的空间分布特征 分析1972～2021年滹沱河流域7个代表站的夏季平均降水量发现，滹沱河流域夏季降水量总体上呈东南向西北递减、丘陵山区多于河谷盆地的态势，且随海拔高度的增加而增加。滹沱河流域夏季平均降水量：上游繁代原河谷为266.8 mm，中游忻定盆地为261.4 mm，下游五台至太行山区为342.2 mm。夏季最大降水量出现在盂县，为617.3 mm（1988年）；最小降水量出现在原平市，为72.7 mm（1972年）。

为了更好地研究滹沱河流域夏季降水的时空分布特征，本文统计整理了2017～2021年滹沱河干流附近21个区域气象站夏季的逐日降水资料。分析滹沱河干流上游、中游、下游降水量发现，上游降水量在191.1～281.9 mm，中游降水量在177.3～288.3 mm，下游降水量在247.9～334.7 mm（图3a）。从整体来看，滹沱河干流夏季降水的空间分布特征与全流域分析的结果基本一致，但分区特征存在差异。滹沱河干流的夏季降水量以下游最多，中游和源头降水量最少。降水偏少区域位于滹沱河源头、上游磨坊至代县县城、定襄受禄至县城一带。降水偏多区域位于五台神西至太行山峡谷一带，夏季降水量最大值为334.7 mm（盂县下社），最小值为177.3 mm（定襄蒋村）。

由图3可知，近5年来，滹沱河夏季逐月降水的空间分布特征明显，6月和8月的下游降水明显多于上游和中游，7月上游和下游降水多于中游。在这3个月中，中游降水偏少趋势及下游降水偏多趋势基本一致，7月上游降水趋势与6月和8月相反。6月的降水最少区域位于代县黑山至原平苏龙口、定襄季庄至蒋村一带，最小值为23.6 mm，出现在代县磨坊；7月和8月的降水最少区域在源头和定襄季庄至蒋村一带，最小值分别为62.8 mm（定襄蒋村）、93.8 mm（繁峙大营）。最多降水区域分布比较分散，7月位于代县黑山、原平苏龙口和太行山峡谷一带，6月和8月位于太行山峡谷一带，最大值分别为75.3 mm（盂县下社）、160.1 mm（代县黑山）、174.9 mm（盂县下社）。

图3 滹沱河2017～2021年区域站夏季（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）平均降水量的空间分布

2.3.2 滹沱河上中下游夏季降水量变化趋势的检验及突变分析 从表1可以看出，滹沱河上游和下游夏季降水量呈弱的增加趋势，中游夏季降水量增加趋势显著，2个代表站分别通过了90%和95%水平的显著性检验。统计分析发现，2016～2021年夏季平均降水量较多年均值偏多42.4 mm，其中2018年降水量偏多达101.7 mm。据气象部门统计，2016～2021年滹沱河流域洪灾发生的频次是前6年的6.4倍，以2018年夏季最为严重。而2016～2021年中游代表站夏季就发生了6次洪灾，2009～2015年却未发生过1次。由图4可知，滹沱河上游和下游降水量的突变时间基本吻合，明显的突变点为1982年前后和2015年前后；中游降水量明显的突变时间是1980年和2016年。

图4 滹沱河上游（a）、中游（b）、下游（c）夏季平均降水量的Mann-Kendall统计曲线

滹沱河上游和下游夏季降水量的变化趋势也基本一致。在1973～1982年期间，上、下游夏季降水量均呈增加趋势，特别是代县站在1976～1979年的增加趋势明显且通过了0.05置信度的检验。上、下游夏季降水量从1982年前后开始呈减少趋势，从2015年开始又呈增加趋势，只是处于下游的代表站盂县在此时间节点的增减趋势不明显。以1982年和2015年为时间节点，分析上、下游夏季降水量发现：在1982 年突变前后，上、下游平均降水量分别减少了43.5和60.9 mm；在2015年突变前后，上、下游平均降水量分别增加了46.3和54.0 mm。上述结果表明近50年来滹沱河上、下游夏季在1973～1982年、2016～2021年处在相对多雨期，而在1983～2015年处在相对少雨期。

滹沱河中游的夏季降水量从1980年开始由多向少转变，从2016年开始由减少向增多转变。据统计，2016～2021年中游的夏季平均降水量较多年均值偏多56.6 mm。分析单站发现（图略），中游代表站忻府区和定襄县UFk＞0的年数超过了35年，说明滹沱河中游夏季长时间处在相对多雨阶段。

2.3.3 滹沱河流域代表站降水量变化趋势的检验及突变分析 分析50年来各代表站夏季逐月降水量得知，6月的最大降水量出现在五台县，为209.4 mm（1973年）；最小降水量出现在原平市，为5.5 mm（1999年）。7月的最大降水量出现在盂县，为329.5 mm（2016年）；最小降水量出现在代县，为10.6 mm（1972年）。8月的最大降水量出现在五台，为380.5 mm（2018年）；最小降水量出现在繁峙，为5.4 mm（1991年）。

利用Mann-Kendall方法对1972～2021年滹沱河流域7个代表站的夏季逐月降水数据进行突变检验，同样用综合判别法剔除杂质交点后得到了各代表站的突变时间（表2）。

分析表1和表2发现：沿滹沱河流动方向各代表站6月降水量的增加和减少趋势基本上交替出现，而在2002年前后降水量的增加趋势具有全局性；另外，忻府区站在1981年前后UFk＞1.96，6月降水量出现突变区域。滹沱河各代表站7月降水量均呈增加趋势，其中，滹沱河上游和中游降水量的增加趋势明显，上游通过了90%置信水平的检验，中游通过了95%置信水平的检验，中游代表站定襄则通过了99%置信水平的检验；7月各代表站降水量的突变年份分散，突变趋势不同，局地性较强；在1998～2005年期间，除忻府区和盂县外，其余代表站各发生了1次降水量由多向少的转变，根据突变年份和突变趋势，认为是1次全局性突变；在1975～1979年期间，除繁峙县和定襄县外，其余代表站的UFk曲线均超过了置信区间，降水量增加显著，出现了全局性突变时间，尤其是中游在2018～2020年又出现降水量增加显著的突变时间。8月沿滹沱河流动方向各代表站的降水量基本上是减少趋势与增加趋势交替出现且变化趋势不明显；50年来滹沱河上游8月降水量的年际波动较大，增、减趋势频繁转换；而滹沱河中下游8月降水量的年际波动平缓；对8月降水量的突变分析发现，在1975～1990年出现了1次全局性降水量由多向少的转变，在2016年前后又发生了1次全局性降水量由少向多的转变，但增、减趋势均不显著，都没有通过0.05置信度的检验。

表2 滹沱河流域代表站夏季逐月降水量的Mann-Kendall突变检验结果

3 结论

1972～2021年山西滹沱河流域夏季平均降水量呈微弱的增加趋势，递增速率为2.08 mm/10 a，年际波动幅度较大。近50年来，夏季平均降水量发生了3次突变。从20世纪70年代到80年代初期滹沱河夏季处于丰水期，从80年代中期到21世纪初期滹沱河夏季处于枯水期。

山西滹沱河夏季降水量基本上呈东南向西北递减的空间分布特征。滹沱河上游和下游夏季降水量呈弱的增加趋势，而中游夏季降水量增加趋势显著。滹沱河上游、中游和下游各发生了2次降水量的突变，上游和下游的突变时间吻合，且变化趋势基本一致。

山西滹沱河6月、7月、8月的平均降水量分别占夏季总降水量的22.7%、38.9%、37.7%。近50年来，6月和8月的平均降水量分别以1.3和0.6 mm/10 a的速率减少，7月的平均降水量则以4.9 mm/10 a的速率增加。在20世纪90年代末期和21世纪初中期，6月的降水量由多向少转变，在21世纪初由少向多转变。在20世纪70年代，7月和8月的降水量由少向多转变；在20世纪80年代初期，7月和8月的降水量由多向少转变。

滹沱河流域在2016～2021年夏季发生暴雨洪涝灾害的频次是2009～2015年夏季的6.4倍，其中，7月和8月的发生频次各占46.9%。近年来，夏季降水量增多，暴雨和局地短时强降水频发，是导致该流域暴雨洪涝灾害频次增加的主要原因。